Исследователи, представляющие Колорадский университет в Боулдере (CU Boulder), использовали рентгеновскую компьютерную томографию для изучения структуры роя медоносных пчёл.
Рентгенограммы позволили взглянуть на насекомых по-новому: оказалось, что формы роёв, в которые собираются пчёлы, не случайны. Это куполообразные структуры, отвечающие довольно математически сложным правилам; исследователи называют эти правила законом масштабирования. Полученные результаты могут помочь инженерам проектировать более устойчивые здания; и — если заглядывать в будущее — программировать поведение групп микророботов, которые, вероятно, часто будут вести себя как насекомые.
Пчёлы делают сложные вещи, и для этого хватает их крошечного, размером с песчинку, мозга.
«Я изучала физику, и эти законы для меня не очевидны, — комментирует результаты Орит Пелег (Orit Peleg), старший автор работы. — Но пчёлы каким-то образом знают, как расположиться, чтобы сохранить механическую стабильность».
Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.
По словам ведущего автора исследования Ольги Шишковой (Olga Shishkov), постдокторантки в лаборатории Пелег, заставить пчёл сидеть неподвижно для получения рентгеновских снимков потребовало некоторых усилий.
Во-первых, исследователи полагались на маток медоносных пчёл, чтобы побудить тысячи рабочих особей объединиться в рои в лаборатории. Затем каждый такой рой, представляющий собой висящую вытянутую живую структуру, следовало поместить перед небольшим (разработанным для ветеринарной практики) аппаратом компьютерной томографии.
На видео: формирование роя.
Всё получилось: результаты вышли настолько чёткие, что можно выделить отдельных пчёл на объёмных снимках. Полученные изображения помогают понять, как пчёлы и другие общественные насекомые создают изменяющие форму «суперорганизмы».
«Ещё одна вещь, которую мы хотим знать, это то, как пчёлы реагируют на изменения температуры, — рассказывает Ольга Шишкова. — Если на улице холодно, как они поддерживают тепло внутри роя? Если жарко, как они остаются прохладными?»
Когда пчёл в улье слишком много (или когда мало пищи и надо искать лучшее место для жизни), пчелиные матки покидают старое место проживания. Матка увлекает за собой тысячи рабочих пчёл, которые время от времени собираются вокруг неё, чтобы обеспечить её безопасность — жужжащая колышущаяся охрана.
«Вы можете найти эти рои висящими практически на любой поверхности — от деревьев до скамеек и автомобилей, — говорит Пелег. — Великолепные небольшие конструкции».
И эти конструкции очень гибкие. В предыдущем исследовании Пелег и её коллеги трясли рои пчел, пытаясь имитировать сильные порывы ветра. В ответ рой пчёл принимал форму блина, что помогало ему оставаться единым целым.
Однако важные моменты поведения ускользали от наблюдения. Как говорит Пелег, «до сих пор мы не могли заглянуть внутрь роя и увидеть, что там происходит».
В текущем исследовании просканированы 11 пчелиных роёв, содержащих от 4000 до 10000 насекомых.
На видео: КТ пчелиного роя в разных проекциях:
Пчелиный рой — это своего рода физкультурная пирамида. Больше пчёл находится в основании роя, затем, чем дальше, тем пчёл меньше. Пчёлы группируются так, чтобы нагрузка на каждый из слоёв не была слишком высока. В математических терминах — структура подчиняется закону масштабирования, каждый слой поддерживает вес, примерно равный его собственному весу в полуторной степени.
«Это значит, что каждый слой использует столько же доступной прочности, сколько и любой другой слой», — поясняет Ольга Шишкова.
В этом же исследовании изучалось, какой вес может нести одна медоносная пчела. Одна пчела может нести в среднем около 35 таких же пчёл. Пчёлы в рое нагружены не более чем четырёхкратным своим весом.
Законы масштабирования широко распространены в природе, поясняет соавтор исследования Каушик Джаярам (Kaushik Jayaram). Так, вес, который вы можете поднять, обычно зависит от того, сколько весите вы сами, и это соотношение (в обобщённом виде, разумеется) описывается простой математической формулой.
«Похоже, что те же законы применимы и к пчёлам, — говорит Джаярам. — Существование этого закона масштабирования намекает на то, что могут существовать общие принципы организации подобных структур, о которых мы пока не знаем».
Ольга Шишкова отмечает, что довольна работой с пчелиными роями: пчёлы, когда рядом нет запаса пищи, которую следует защищать, жалят реже обычного. Видимо, исследовательнице есть с чем сравнивать.
«Они удивительно дружелюбны, когда в рое», — отметила Ольга.
